CN115077920B - 多级涡轮部件装配变形试验设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多级涡轮部件装配变形试验设备，属于航空发动机装配技术领域。该试验设备包括固定箱、纵梁、三自由度机器人、线激光扫描仪和自定心定位气浮工作台。本发明通过对动力涡轮零件的安装边轴向、径向跳动进行测量，拟合出各个局部坐标系下的该零件的轴心偏移量，再对装配完成后各部件的圆心偏移量进行测量，与各个局部坐标系下单件圆心偏移量进行对比，即可得到由于装配变形导致的圆心偏移量，即为装配产生的变形量；从而达到提高多级转子装配质量的目的。

Description

多级涡轮部件装配变形试验设备
技术领域
本发明属于航空发动机装配技术领域，涉及一种多级涡轮部件装配变形试验设备。
背景技术
航空发动机是一种高复杂度和精密的热力机械，作为飞机的心脏，不仅是飞机核心的动力部件，也是保障飞机安全飞行的重要组成部分。而航空发动机装配是发动机制造过程的核心环节，根据某研究所统计，涉及装配因素及使用再修理的失效在统计样本中占案例总数的20％，可见各个部件间装配环节对发动机性能及可靠性的巨大影响。
现有的航空发动机装配技术主要在专用底座上逐级装配各部件，最后通过手动工具拧紧连接螺栓、螺母。但采用传统方法装配完成后，进行发动机试车时，常出现涡轮转子形位公差超差的情况，装配质量无法保证，需要拆解涡轮转子重新进行装配，重复上述步骤；经研究，装配过程中各部件产生的变形是导致行为公差超差的重要因素。因此，迫切需要一种多级涡轮部件装配变形试验设备，对装配过程中产生的变形进行评估，以此指导生产实践。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种多级涡轮部件装配变形试验设备，从而弥补现有装配领域的不足。
为实现如前所述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种多级涡轮部件装配变形试验设备，包括固定箱1、纵梁2、三自由度机器人3、线激光扫描仪4和自定心定位气浮工作台6。
所述三自由度机器人3包括x轴机器人51、y轴机器人52和z轴机器人53。
所述固定箱1的四角均固定有纵梁2，每两根纵梁2为一组，每组纵梁顶部连接有x轴机器人51；y轴机器人52通过滑动模组连接在两x轴机器人51之间，z轴机器人53通过滑动模组竖直连接在y轴机器人52上，z轴机器人53下端通过螺栓组54与线激光扫描仪4连接，三轴联动保证线激光扫描仪满足不同待测件的测量要求，即涡轮零件与组件。所述三自由度机器人的尺寸设计应保证线激光扫描仪可满足不同待测件的测量要求，即分别对涡轮零件与组件进行测量时，且应保证对待测件表面形貌的测量无死角、无盲点。
所述自定心定位气浮工作台6包括电机固定架21、联轴器22、气浮主轴外壳23、气浮主轴24、气浮轴承25、圆光栅26、三爪卡盘27、调节旋钮28、上压板29、电机底座30和精密伺服电机31。其中，上压板29通过固定箱1上的圆孔安装在固定箱1上，其上连接可调倾工作台，可调倾工作台通过调节旋钮28进行调整；可调倾工作台上连接有三爪卡盘27，三爪卡盘27对涡轮零件与组件进行定位、夹紧。上压板29底部依次连接有短圆柱式法兰盘和圆光栅26。所述电机底座30为圆筒状结构，其上端连接在上压板29上、且位于圆光栅26外；其下端内部通过电机固定架21竖直安装有精密伺服电机31，且电机底座30、电机固定架21、精密伺服电机31同轴心，同时三者之间不存在间隙，保证精密伺服电机31稳定运行。气浮主轴外壳23安装在电机底座30内、且位于电机固定架21上。精密伺服电机31上端通过联轴器22与气浮主轴24下端接口处连接，气浮主轴24上端依次从圆光栅26、短圆柱式法兰盘、上压板29内部穿过，通过过渡盘与可调倾工作台连接；气浮主轴24的两端轴颈处分别通过气浮轴承25安装在工作台气浮主轴外壳23上。
所述自定心定位气浮工作台6应保证不同尺寸及不同定位方式的零件的准确定位、夹紧；所述自定心定位气浮工作台主轴应采用气浮主轴，保证径向和轴向旋转精度满足涡轮组件的测量要求。所述三爪卡盘的尺寸设计应满足部件、组件以不同基准进行定位的要求。
涡轮部件与组件的不同定位方法及基于此设备的装配变形的获得应遵循以下步骤：
步骤1：将待检测的封严盘或其他涡轮部件以图1所示定位基准通过三爪卡盘27进行定位，由调节旋钮28对可调倾工作台进行调整后通过三爪卡盘27夹紧零件；
步骤2：由精密伺服电机31驱动三自由度机器人3根据当前零件位置进行调整，使得线激光扫描仪4可以对零件进行有效测量，由精密伺服电机31驱动气浮主轴24旋转，气浮主轴24驱动可调倾工作台从某一位置开始匀速旋转数圈，并由可调倾工作台上的三爪卡盘27所夹持的涡轮部件进行回转，保证线激光扫描仪4获得完整、清晰的零件端面跳动、径向跳动等轮廓数据后进行记录，松开三爪卡盘27，卸下涡轮部件；
步骤3：根据前述测得的零件端面跳动中的数据高低点与零件径向跳动，采用最小二乘法对其数据进行拟合，获得实际轴心，根据堆叠原理对其进行组装，降低其串装不同心度；
步骤4：将涡轮组件5按上述步骤以其定位基准在自动定心定位气浮工作台6上进行定位后夹紧，由精密伺服电机驱动三自由度机器人根据当前零件位置进行调整，使得线激光扫描仪4可以对组件进行有效测量，由精密伺服电机31驱动气浮主轴24旋转，从而带动可调倾工作台从某一位置开始匀速旋转数圈，线激光扫描仪4获得涡轮组件5中封严盘完整、清晰的端面跳动、径向跳动等轮廓数据后进行记录，根据最小二乘法拟合圆对其径向跳动数据进行处理，获得拟合圆的轴心位置；
步骤5：将组件拟合所获得的轴心与封严盘单件测量时的轴心在统一坐标系下进行比对分析，二者的轴心坐标矢量差，即为装配过程中产生的径向变形量。封严盘单件测量与其组件时，同一相位的轴向数据在统一坐标系下的矢量差，即为该相位在装配过程中产生的轴向变形量。
本发明的有益效果是：本发明所述设备通过气浮主轴带动可调倾工作台回转，保证了工作台的径向和轴向旋转精度满足涡轮组件的测量要求，通过三自由度机器人对线激光扫描仪的测量范围进行调整，以满足部件、组件的不同测量需求。
附图说明
图1是多级涡轮零件中封严盘在本发明中的定位、测量基准示意图。
图2是涡轮组件在本发明中的定位、测量基准示意图。
图3是多级涡轮部件装配变形试验设备对组件进行测量时的结构示意图。
图4是自定心定位气浮工作台的结构示意图。
图5是三自由度机器人的结构示意图。
图中：1固定箱；2纵梁；3三自由度机器人；4线激光扫描仪；5涡轮组件；6自定心定位气浮工作台；21电机固定架；22联轴器；23气浮主轴外壳；24气浮主轴；25气浮轴承；26圆光栅；27三爪卡盘；28调节旋钮；29上压板；30电机底座；31精密伺服电机；51x轴机器人；52y轴机器人；53z轴机器人；54螺栓组。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例中所采用的鼓筒、封严盘、涡轮盘等均是本领域技术人员已知的，在此不对其具体结构和型号作具体的规定，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图3至图5，一种多级涡轮部件装配变形试验设备，包括固定箱1、纵梁2、三自由度机器人3、线激光扫描仪4和自定心定位气浮工作台6。
所述固定箱1上的四角均固定有纵梁2，每两根纵梁2为一组，每组纵梁顶部连接有x轴机器人51；y轴机器人52通过滑动模组连接在两x轴机器人51之间，z轴机器人53通过滑动模组竖直连接在y轴机器人52上，z轴机器人53下端通过螺栓组54与线激光扫描仪4连接，三轴联动保证线激光扫描仪满足不同待测件的测量要求，即涡轮零件与组件。
请参阅图4，所述自定心定位气浮工作台6包括电机固定架21、联轴器22、气浮主轴外壳23、气浮主轴24、气浮轴承25、圆光栅26、三爪卡盘27、调节旋钮28、上压板29、电机底座30和精密伺服电机31。其中，上压板29通过固定箱1上的圆孔安装在固定箱1上，其上连接可调倾工作台，可调倾工作台通过调节旋钮28进行调整；可调倾工作台上连接三爪卡盘27，三爪卡盘27对涡轮零件与组件进行定位、夹紧。上压板29底部依次连接有短圆柱式法兰盘和圆光栅26。所述电机底座30为圆筒状结构，其上端连接在上压板29上、且位于圆光栅26外；其下端内部通过电机固定架21竖直安装有精密伺服电机31，且电机底座30、电机固定架21、精密伺服电机31同轴心，同时三者之间不存在间隙，保证精密伺服电机31稳定运行。气浮主轴外壳23安装在电机底座30内、且位于电机固定架21上。精密伺服电机31上端通过联轴器22与气浮主轴24下端接口处连接，气浮主轴24上端依次从圆光栅26、短圆柱式法兰盘、上压板29内部穿过，通过过渡盘与可调倾工作台连接；气浮主轴24的两端轴颈处分别通过气浮轴承25安装在工作台气浮主轴外壳23上。
请参阅图1至图2，对封严盘进行测量时，以其外圆为定位基准，采用线激光扫描仪4对其与下一级零件的接合面进行测量；对涡轮组件进行测量时，以其内孔与下端面为定位基准，采用线激光扫描仪对其中关键部件进行测量，即封严盘；应注意，对其组合件进行测量前，应采用三自由度机器人3调整线激光扫描仪4测量位置，保证测量时无死角、无盲点。
本实施例测量时采用的定位方案，能保证封严盘、涡轮盘定位的稳定性与精确性，能保证在获得准确的测量数据的前提下尽量避免零件定位夹紧时的变形，有效避免了测量阶段的定位、变形误差。
优选的，所述工作转台上设置的三爪卡盘27的尺寸及结构设计应满足不同零件测量时待测件的定位与夹紧问题。
涡轮部件与组件的不同定位方法及基于此设备的装配变形的获得应遵循以下步骤：
步骤1：将待检测的封严盘或其他涡轮部件以图1所示定位基准通过三爪卡盘27进行定位，由调节旋钮28对可调倾工作台进行调整后通过三爪卡盘27夹紧零件；
步骤2：由精密伺服电机31驱动三自由度机器人3根据当前零件位置进行调整，使得线激光扫描仪4可以对零件进行有效测量，由精密伺服电机31驱动气浮主轴24旋转，气浮主轴24驱动可调倾工作台从某一位置开始匀速旋转数圈，并由可调倾工作台上的三爪卡盘27所夹持的涡轮部件进行回转，保证线激光扫描仪4获得完整、清晰的零件端面跳动、径向跳动等轮廓数据后进行记录，松开三爪卡盘27，卸下涡轮部件；
步骤3：根据前述测得的零件端面跳动中的数据高低点与零件径向跳动，采用最小二乘法对其数据进行拟合，获得实际轴心，根据堆叠原理对其进行组装，降低其串装不同心度；
步骤4：将涡轮组件5按上述步骤以其定位基准在自动定心定位气浮工作台6上进行定位后夹紧，由精密伺服电机驱动三自由度机器人根据当前零件位置进行调整，使得线激光扫描仪4可以对组件进行有效测量，由精密伺服电机31驱动气浮主轴24旋转，从而带动可调倾工作台从某一位置开始匀速旋转数圈，线激光扫描仪4获得涡轮组件5中封严盘完整、清晰的端面跳动、径向跳动等轮廓数据后进行记录，根据最小二乘法拟合圆对其径向跳动数据进行处理，获得拟合圆的轴心位置；
步骤5：将组件拟合所获得的轴心与封严盘单件测量时的轴心在统一坐标系下进行比对分析，二者的轴心坐标矢量差，即为装配过程中产生的径向变形量。封严盘单件测量与其组件时，同一相位的轴向数据在统一坐标系下的矢量差，即为该相位在装配过程中产生的轴向变形量。

Claims (2)

1.一种多级涡轮部件装配变形试验设备，其特征在于，该试验设备包括固定箱(1)、纵梁(2)、三自由度机器人(3)、线激光扫描仪(4)和自定心定位气浮工作台(6)；
所述三自由度机器人(3)包括x轴机器人(51)、y轴机器人(52)和z轴机器人(53)；
所述固定箱(1)的四角均固定有纵梁(2)，每两根纵梁(2)为一组，每组纵梁顶部连接有x轴机器人(51)；y轴机器人(52)通过滑动模组连接在两x轴机器人(51)之间，z轴机器人(53)通过滑动模组竖直连接在y轴机器人(52)上，z轴机器人(53)下端与线激光扫描仪(4)连接；
所述自定心定位气浮工作台(6)包括电机固定架(21)、联轴器(22)、气浮主轴外壳(23)、气浮主轴(24)、气浮轴承(25)、圆光栅(26)、三爪卡盘(27)、调节旋钮(28)、上压板(29)、电机底座(30)和精密伺服电机(31)；其中，上压板(29)通过固定箱(1)上的圆孔安装在固定箱(1)上，其上连接可调倾工作台，可调倾工作台通过调节旋钮(28)进行调整；可调倾工作台上连接有三爪卡盘(27)，三爪卡盘(27)对涡轮零件与组件进行定位、夹紧；
所述上压板(29)底部依次连接有短圆柱式法兰盘和圆光栅(26)；所述电机底座(30)为圆筒状结构，其上端连接在上压板(29)上、且位于圆光栅(26)外；其下端内部通过电机固定架(21)竖直安装有精密伺服电机(31)；
所述气浮主轴外壳(23)安装在电机底座(30)内、且位于电机固定架(21)上；精密伺服电机(31)上端通过联轴器(22)与气浮主轴(24)下端接口处连接，气浮主轴(24)上端依次从圆光栅(26)、短圆柱式法兰盘、上压板(29)内部穿过，与可调倾工作台连接；气浮主轴(24)的两端轴颈处分别通过气浮轴承(25)安装在工作台气浮主轴外壳(23)上。
2.根据权利要求1所述的一种多级涡轮部件装配变形试验设备，其特征在于，所述电机底座(30)、电机固定架(21)、精密伺服电机(31)同轴心，同时三者之间不存在间隙，保证精密伺服电机稳定运行。
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